DE102012105740A1

DE102012105740A1 - Method for controlling a stepping motor

Info

Publication number: DE102012105740A1
Application number: DE102012105740.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Gundel
Original assignee: BDT MEDIA AUTOMATION GmbH
Current assignee: BDT MEDIA AUTOMATION GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-02
Also published as: JP6054518B2; EP2680432A2; JP2015516140A; CN104040874A; EP2680432A3; CN104040874B; EP2680432B1; WO2014001545A3; WO2014001545A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors, bei dem Statorspulen des Schrittmotors durch eine Steuerelektronik sequentiell derart bestromt werden, dass ein rotierendes elektromagnetisches Feld entsteht, wobei bei der Bestromung einer gegebenen Statorspule der Strom durch deren Windungen durch die Steuerelektronik zunächst auf einen definierten Strom-Sollwert gesteigert wird und, nachdem der Sollwert erreicht ist, der Strom gechoppert wird, indem der von der Steuerlektronik bereitgestellte Stromfluss durch die Windungen wiederholt für eine konstante Zeitspanne abgeschaltet und anschließend ein Chopper-Impuls erfolgt, während dessen der von der Steuerlektronik bereitgestellte Stromfluss wieder eingeschaltet wird, bis der Strom-Sollwert wieder erreicht ist, wobei die Steuerelektronik die durch die Zeitdauer, die benötigt wird, um nach dem Wiedereinschalten des Stromflusses den Strom-Sollwert wieder zu erreichen, definierte Breite jedes Chopper-Impulses mit einer vorgebbaren Referenz-Zeitdauer vergleicht und mit der Bestromung der als nächstes zu bestromenden Statorspule beginnt, sobald die Breite des Chopper-Impulses, erstmals die Referenz-Zeitdauer unterschreitet, bei dem die Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors an die Arbeitsbedingungen des Schrittmotors angepasst wird.The invention relates to a method for controlling a stepping motor, in which the stator coils of the stepping motor are sequentially energized by control electronics in such a way that a rotating electromagnetic field is produced, the current through a winding of the given stator coil through the control electronics first to a defined current when the current is applied to a given stator coil Setpoint is increased and, after the setpoint has been reached, the current is chopped by repeatedly switching off the current flow through the windings provided by the control electronics for a constant period of time and then issuing a chopper pulse during which the current flow provided by the control electronics resumes is switched on until the current setpoint is reached again, the control electronics having the width defined by the time required to reach the current setpoint again after the current flow has been switched on, the width of each chopper pulse m it compares with a predefinable reference time period and starts energizing the stator coil to be energized next, as soon as the width of the chopper pulse falls below the reference time period for the first time at which the reference time period during the actuation of the stepper motor to the working conditions of the stepper motor is adjusted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. The invention relates to a method for controlling a stepping motor with the features of the preamble of patent claim 1.

Eine beliebte Gattung von Elektromotoren sind Schrittmotoren. Bei einem Schrittmotor wird die Bestromung von Statorspulen durch eine Steuerelektronik so gesteuert, dass ein elektromagnetisches Feld schrittweise rotiert, dem der Rotor nachfolgt. A popular genus of electric motors are stepper motors. In a stepper motor, the energization of stator coils is controlled by control electronics so that an electromagnetic field rotates step by step, followed by the rotor.

Motortreiberendstufen, welche auf dem Prinzip der festen Ausschaltzeit zur Strombegrenzung basieren, bei dem die Motortreiberstufe der Steuerelektronik nach Anlegen der Steuersignale den Strom durch die Windungen der jeweils angesteuerten Spule zunächst auf einen eingestellten Sollwert steigert, erlauben es, die durch feste Ausschaltzeiten strombegrenzten Signale auszuwerten. Die Zeit vom Beginn der Bestromung bis zum erstmaligen Erreichen des Strom-Sollwertes wird als „Stromanstiegszeit“ bezeichnet. Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle angemerkt, dass mehrere Spulen, die an unterschiedlichen Stellen des Motors angeordnet sind und gemeinsam angesteuert werden, in dieser Patentschrift als eine Statorspule bezeichnet werden. Motor driver output stages, which are based on the principle of the fixed turn-off time for current limitation, in which the motor driver stage of the control electronics after applying the control signals initially increases the current through the turns of each controlled coil to a set setpoint, allow to evaluate the current-limited signals by fixed turn-off. The time from the beginning of the current supply to the first time the current setpoint is reached is referred to as the "current rise time". For the sake of completeness, it is noted at this point that a plurality of coils, which are arranged at different locations of the motor and are driven together, are referred to in this patent specification as a stator coil.

Nachdem der Sollwert erreicht ist, wird der von der Steuerelektronik, genauer gesagt deren Motortreiberstufe, bereitgestellte Stromfluss durch die Windungen wiederholt für eine konstante Zeitspanne abgeschaltet und anschließend wieder eingeschaltet, bis der Strom-Sollwert wieder erreicht ist. Während der Stromfluss durch die Windungen abgeschaltet ist, wird der Strom über Freilaufdioden abgeleitet. After the setpoint has been reached, the current flow provided by the control electronics, more precisely the motor driver stage, is repeatedly switched off by the windings for a constant period of time and then switched on again until the current setpoint is reached again. While the current flow through the windings is switched off, the current is dissipated via freewheeling diodes.

Dieses Vorgehen, bei dem somit mehrfach ein Zyklus aus Unterbrechungen des Stromflusses und anschließendem Steigern des Stroms auf den Sollwert durchlaufen wird, wird als „Choppern“ bezeichnet. Die Zeit, welche benötigt wird, um den Strom wieder auf den Sollwert steigen zu lassen, nachdem er gemäß der Strombegrenzung aufgrund der festen Ausschaltzeit absank, wird auch als „Chopperimpuls“ bezeichnet; m.a.W. unter der Breite eines Chopperimpulses versteht man seine zeitliche Dauer. This procedure, in which thus several times a cycle of interruptions of the current flow and subsequent increase of the current is passed through to the desired value is referred to as "choppers". The time required to allow the current to rise to the setpoint again after it decreases in accordance with the current limit due to the fixed turn-off time is also referred to as a "chopper pulse"; m.a.W. the width of a chopper impulse means its duration.

Wesentlich für die ordnungsgemäße Funktionsweise eines Schrittmotors ist dabei, dass das elektromagnetische Feld nicht schon zu einem Zeitpunkt durch Bestromung der nächsten Statorspulen weiterrotiert wird, zu dem der Rotor seine letzte Sollposition noch nicht erreicht hatte. Ist dies der Fall, beispielsweise weil der Motor eine unerwartet hohe Last zu bewegen hat, kommt es zumindest zu einem Schrittverlust, wenn nicht gar zur Blockierung des Motors. Es ist jedoch auch von Nachteil, das elektromagnetische Feld erst deutlich nach überschreiten der maximalen Feldüberdeckung weiterzuschalten, da dies einerseits zu Ineffizienz führt und andererseits die Gefahr des Oszillierens birgt. It is essential for the proper functioning of a stepping motor that the electromagnetic field is not already rotated further at a time by energizing the next stator coils, to which the rotor had not yet reached its last setpoint position. If this is the case, for example because the engine has an unexpectedly high load to move, there is at least a step loss, if not blockage of the engine. However, it is also disadvantageous to advance the electromagnetic field only after exceeding the maximum field coverage, since this leads on the one hand to inefficiency and on the other hand involves the risk of oscillation.

Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe unterschiedlicher Vorgehensweisen zur Motorsteuerung bekannt, um dieses Problem so gut wie möglich zu vermeiden. Die wohl einfachste Art der Ansteuerung ist die Verwendung einer starren Schrittfrequenz mit festgelegten Schrittzeiten. Um bei einer derartigen Ansteuerung eine Blockade zu vermeiden, muss sichergestellt sein, dass der Rotor bei der höchsten denkbaren Last vor dem Initiieren des nächsten Schritts durch die Steuerelektronik seine Zielposition erreicht hat. Gleichzeitig führt dies aber dazu, dass ein mit geringerer Last belasteter Rotor nur mit einer geringeren Schrittfrequenz betrieben werden kann, als es eigentlich möglich wäre, so dass das zur Verfügung stehende Drehmoment nicht optimal genutzt wird, was einen geringen Wirkungsgrad des Antriebs mit sich bringt. A number of different motor control techniques are known in the prior art to minimize this problem as much as possible. Probably the simplest type of control is the use of a rigid step frequency with fixed step times. In order to avoid a blockage in such a control, it must be ensured that the rotor has reached its target position at the highest conceivable load before initiating the next step by the control electronics. At the same time, however, this means that a rotor loaded with a lower load can only be operated at a lower stepping frequency than would actually be possible, so that the available torque is not optimally utilized, which results in a low efficiency of the drive.

Das Erzielen besserer Wirkungsgrade setzt voraus, dass ein die Ausführung eines Motorschrittes signalisierendes Signal zur Steuerelektronik zurückgekoppelt wird. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, einen Encoder vorzusehen, der auf den Schrittwinkel des Motors synchronisiert ist. Dies kann zwar den Wirkungsgrad optimieren, ist aber eine teure Lösung, welche noch zudem zusätzlichen Platzbedarf mit sich bringt. Achieving better efficiencies requires that a signal signaling the execution of a motor step be fed back to the control electronics. One way to do this is to provide an encoder that is synchronized to the step angle of the motor. Although this can optimize the efficiency, but is an expensive solution, which also brings with it additional space requirements.

Eine alternative Möglichkeit, die einschließlich schaltungstechnischer Realisationsmöglichkeiten beispielsweise in der DE 41 21 617 A1 und der DE 196 09 803 C1 offenbart ist, besteht darin, den zeitlichen Verlauf der Ströme während des Chopperbetriebs zu analysieren, um Rückschlüsse darüber zu erhalten, ob ein Schritt durch den Motor ausgeführt wurde: Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms in den Windungen ist abhängig von der angelegten Spannung, dem Widerstand und der Induktivität der Spule. Die Induktivität einer gegebenen Statorspule ist aber ihrerseits abhängig von der relativen Position von Rotor und Statorspule zueinander, welche dann am höchsten ist, wenn maximale Stator-Rotor-Überdeckung gegeben ist, d.h. wenn Stator und Rotor direkt voreinander positioniert sind. Im Ergebnis wird somit bei der Drehung des Rotors die Induktivität der Statorspule moduliert. Diese Modulation der Induktivität führt dazu, dass, nachdem der Rotor über die Position, in der er der betrachteten Statorspule am nächsten ist, hinweggelaufen ist, die Breite der Chopperimpulse sich spürbar verringert. An alternative possibility, including circuitry implementation possibilities, for example in the DE 41 21 617 A1 and the DE 196 09 803 C1 is to analyze the timing of the currents during the chopper operation to obtain conclusions about whether a step was performed by the motor: The rate of increase of the current in the windings is dependent on the applied voltage, the resistance and the Inductance of the coil. The inductance of a given stator coil, in turn, is dependent on the relative position of the rotor and stator coil, which is highest when there is maximum stator-rotor coverage, ie, when the stator and rotor are positioned directly in front of each other. As a result, the inductance of the stator coil is thus modulated during the rotation of the rotor. This modulation of the inductance causes the width of the chopper pulses to be significantly reduced after the rotor has passed beyond the position closest to the observed stator coil.

Demzufolge kann man, wie detaillierter in der DE 41 21 617 A1 und der DE 196 09 803 C1 offenbart ist, eine Referenz-Pulsbreite für die Chopperimpulse definieren, die Breite der Chopperimpulse überwachen und das erstmalige Unterschreiten der Referenz-Pulsbreite durch die Chopperimpulse als Indikator dafür verwenden, dass die Rotordrehung erfolgt ist und somit der nächsten Schritt durch Bestromung der nächsten Statorspule eingeleitet werden kann. Diese Vorgehensweise ist auch unter dem Begriff „Chopper-Control“ bekannt. Consequently, one can, as more detailed in the DE 41 21 617 A1 and the DE 196 09 803 C1 Define a reference pulse width for the chopper pulses, monitor the width of the chopper pulses and the first falling below the Use the reference pulse width through the chopper impulses as an indicator that the rotor has rotated and thus the next step can be initiated by energizing the next stator coil. This procedure is also known by the term "chopper control".

In der Praxis zeigt sich jedoch, dass diese Art der Rückkopplung zwar den Wirkungsgrad des Antriebs verbessert, aber noch Raum für Verbesserung lässt. Als problematisch erweist sich nämlich, dass Schrittmotoren, insbesondere Schrittmotoren kompakter Bauart mit hoher Leistungsdichte, wegen des hohen Innenwiderstands der Wicklungen ihrer Statorspulen während des Betriebs heiß werden. Diese Temperaturerhöhung bringt ihrerseits eine Erhöhung des Innenwiderstands mit sich. Konkret erhöht sich der Widerstand der Wicklungen einer Spule aus Kupfer z.B. bei einer Temperaturerhöhung von 60°C um etwa 23%. Der höhere Widerstand der Windungen führt bei konstanter Spannung zu einer Erhöhung der Breite der Chopperimpulse. In practice, however, this type of feedback improves drive efficiency but leaves room for improvement. In fact, it proves to be problematic that stepper motors, in particular step motors of compact design with high power density, become hot during operation because of the high internal resistance of the windings of their stator coils. This temperature increase in turn brings an increase in the internal resistance with it. Concretely, the resistance of the windings of a coil of copper increases, e.g. at a temperature increase of 60 ° C by about 23%. The higher resistance of the windings leads at constant voltage to an increase in the width of the chopper pulses.

Dies bedeutet, dass eine Wahl der Referenz-Pulsbreite, die z.B. für eine Motortemperatur von 20° sicherstellt, dass zur nächsten anzusteuernden Statorspule zu einem nahezu optimalen Zeitpunkt erfolgt, so dass bei dieser Temperatur ein hoher Wirkungsgrad des Antriebs erzielbar ist, bei einer Motortemperatur von 80°C erst bei einem späteren Chopper-Puls unterschritten wird, so dass bei dieser Motortemperatur der Wirkungsgrad des Antriebs deutlich schlechter ist und der Motor mit einer geringeren Schrittfrequenz als eigentlich möglich betrieben wird. Umgekehrt ist aber die Verwendung einer geringeren Referenz-Pulsbreite bei geringerer Motortemperatur, wie sie beispielsweise bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Motors nach einer Pause herrschen würde, nicht möglich. This means that a choice of reference pulse width, e.g. for an engine temperature of 20 ° ensures that the next to be driven stator coil takes place at a nearly optimal time, so that at this temperature, a high efficiency of the drive can be achieved falls below an engine temperature of 80 ° C only at a later chopper pulse, so that at this engine temperature, the efficiency of the drive is significantly worse and the engine is operated at a lower pacing rate than actually possible. Conversely, however, the use of a lower reference pulse width at lower engine temperature, as would prevail, for example, when starting up the engine for the first time after a break, not possible.

Aus der DE 10 2006 021 418 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem aus der Überwachung der Stromanstiegszeit im Einschaltmoment und einer Spannungsmessung auf eine mögliche Blockierung eines Motors geschlossen wird. From the DE 10 2006 021 418 A1 a method is known in which it is concluded from the monitoring of the current rise time in the turn-on and a voltage measurement on a possible blocking of a motor.

Aus der US 2012/0014732 A1 ist es bekannt, durch Ermittlung der Stromanstiegszeit im Einschaltzeitpunkt Rückschlüsse auf die aktuelle Motortemperatur zu ziehen, um durch Reduktion des Strom-Sollwertes bei zu hoher Motortemperatur eine Überhitzung des Motors zu vermeiden. From the US 2012/0014732 A1 It is known to draw conclusions about the current engine temperature by determining the current rise time in the switch-on time to avoid overheating of the motor by reducing the current setpoint at too high engine temperature.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors bereitzustellen, mit dem der Schrittmotor mit einem höheren Wirkungsgrad, insbesondere mit höherer Schrittfrequenz, betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. The object of the invention is therefore to provide a method for controlling a stepper motor, with which the stepper motor with a higher efficiency, in particular with higher step frequency, can be operated. This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous developments of the method are the subject of the dependent claims.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors werden die Statorspulen des Schrittmotors durch eine Steuerelektronik sequentiell derart bestromt, dass ein rotierendes elektromagnetisches Feld entsteht. Dabei wird bei der Bestromung einer gegebenen Statorspule der Strom durch deren Windungen durch die Steuerelektronik zunächst auf einen definierten Strom-Sollwert gesteigert und danach, nachdem der Sollwert erreicht ist, der Strom gechoppert, indem der von der Steuerelektronik bereitgestellte Stromfluss durch die Windungen wiederholt für eine konstante Zeitspanne abgeschaltet und anschließend ein Chopper-Impuls erfolgt, während dessen der von der Steuerelektronik bereitgestellte Stromfluss wieder eingeschaltet wird, bis der Strom-Sollwert wieder erreicht ist. According to the method according to the invention for controlling a stepping motor, the stator coils of the stepping motor are energized sequentially by control electronics in such a way that a rotating electromagnetic field is produced. In this case, in the energization of a given stator coil, the current through the windings by the control electronics initially increased to a defined current setpoint and then after the setpoint is reached, the current chopped by the provided by the control electronics current flow through the turns repeated for a switched off constant period and then a chopper pulse occurs during which the current provided by the control electronics power flow is turned on again until the current setpoint is reached again.

Dabei vergleicht, wie allgemein aus Chopper-Control-Verfahren bekannt ist, die Steuerelektronik die Breite jedes Chopper-Impulses, die durch die Zeitdauer definiert ist, die benötigt wird, um nach dem Wiedereinschalten des Stromflusses nach den Strom-Sollwert wieder zu erreichen, mit einer vorgebbaren Referenz-Zeitdauer und beginnt mit der Bestromung der als nächstes zu bestromenden Statorspule, sobald die Breite des Chopper-Impulses erstmals die Referenz-Zeitdauer unterschreitet. In doing so, as generally known from chopper control techniques, the control electronics compares the width of each chopper pulse defined by the amount of time needed to recover to the current setpoint after the current flow is restored a predetermined reference period of time and begins with the energization of the stator coil to be energized next, as soon as the width of the chopper pulse first falls below the reference time period.

Erfindungswesentlich ist, dass die Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors an die aktuellen Arbeitsbedingungen des Schrittmotors angepasst wird. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, dass der Schrittmotor stets nahe an seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, so dass ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt wird. It is essential to the invention that the reference time duration during the activation of the stepping motor is adapted to the current working conditions of the stepping motor. By this measure, the stepping motor is always operated close to its optimum operating point, so that an improved efficiency is achieved.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung basiert die Anpassung der Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors an die Arbeitsbedingungen des Schrittmotors auf einer Messung der Referenzpulsbreite über mehrere Zyklen von Stromanstiegszeiten im Chopperbetrieb bei ruhendem bestromten Schrittmotor. Dies hat gegenüber dem in US20120014732A1 beschrieben Verfahren, wobei lediglich während eines Zyklus der Stromanstiegszeit zwischen dem ersten Einprägen des Stroms bis zum ersten Maximum ausgewertet wird, den Vorteil dass bei der Bewegung auftretende Störeffekte zuverlässig vermieden werden und dass durch Messung mehrerer dieser Zeitintervalle ein Messwert mit kleinerem statistischen Messfehler erhalten wird. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the adaptation of the reference time duration during the activation of the stepping motor to the working conditions of the stepping motor based on a measurement of the reference pulse width over several cycles of current increase times in chopper operation with resting energized stepper motor. This has opposite the in US20120014732A1 described method, which is evaluated only during a cycle of the current rise time between the first impressing the current to the first maximum, the advantage that occurring during movement disturbing effects are reliably avoided and that by measuring several of these time intervals, a measured value is obtained with a smaller statistical measurement error.

Als besonders geeignete Art, die Messungen der aktuellen Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor zur Anpassung der Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors zu verwenden, hat sich erwiesen, die gemessene Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor über eine Look-Up-Tabelle mit einer entsprechenden Breite der Chopper-Impulse bei drehendem bestromten Schrittmotor zu korrelieren und den in der Look-Up-Tabelle enthaltenen, korrelierten Wert als aktuelle Referenz-Zeitdauer zu verwenden. As a particularly suitable type, the measurements of the current width of the chopper pulses at rest energized stepper motor to adjust the reference time period during the activation of the Stepper motor has been found to correlate the measured width of the chopper pulses at rest energized stepper motor via a look-up table with a corresponding width of the chopper pulses with rotating energized stepper motor and that contained in the look-up table to use the correlated value as the current reference time period.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird die Look-Up-Tabelle erstellt, indem für ein Exemplar eines gegebenen Schrittmotortyps jeweils die Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor und die entsprechende Breite der Chopper-Impulse bei drehendem bestromten Schrittmotor für unterschiedliche Kombinationen aus Widerstand (entsprechend einer Temperaturänderung), Induktivität, Spannung und Strom ermittelt wird und in der Look-Up-Tabelle hinterlegt wird. Die Verwendung derartig ermittelter Tabellen bietet die Möglichkeit sowohl statischen Widerstandsänderungen, welche bspw. durch Toleranzen von Fertigungschargen, unterschiedlichen Leitungslängen oder allgemein unterschiedlicher Anschlusskabel und Kontaktierungen hervorgerufen werden können, als auch dynamischen Widerstandsänderungen bspw. durch Temperaturänderung hervorgerufen, zu kompensieren. In a particularly advantageous further development of this embodiment, the look-up table is created by selecting the width of the chopper pulses for a given stepping motor type while the energized stepper motor is at rest and the corresponding width of the chopper pulses when the energized stepping motor is rotating for different combinations Resistance (corresponding to a temperature change), inductance, voltage and current is determined and stored in the look-up table. The use of such determined tables offers the possibility of both static resistance changes, which can be caused for example by tolerances of production batches, different cable lengths or generally different connection cables and contacts, as well as dynamic resistance changes, for example, caused by temperature change to compensate.

Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass mit Hilfe einer solchen Tabelle auch eine Temperaturmessung der Betriebstemperatur des Motors möglich ist, da Strom und Spannung einfach gemessen werden können, daraus der aktuelle Spulenwiderstand berechnet werden kann und dann die Motortemperatur aus der bekannten Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstands ermittelbar ist. In addition, it should be noted that with the help of such a table, a temperature measurement of the operating temperature of the motor is possible because current and voltage can be easily measured, from the current coil resistance can be calculated and then the motor temperature can be determined from the known temperature dependence of the coil resistance.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Messung der aktuellen Breite der Chopper-Impulse im eingeschwungenen Zustand des Schrittmotors erfolgt, da in diesem Zustand sicher gestellt ist, dass der störende Einfluss einer undefinierten Rotorposition vermieden wird. It has proved to be particularly advantageous if the measurement of the current width of the chopper pulses in the steady state of the stepping motor, as is ensured in this state that the disturbing influence of an undefined rotor position is avoided.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Messung der Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor in einer Vorbestromungsphase erfolgt, da dadurch ein zusätzlicher Zeitbedarf zu einem Zeitpunkt, zu dem die Drehung des Motors erfolgen soll, konsequent vermieden wird. It is particularly preferred if the measurement of the width of the chopper pulses takes place with the energized stepper motor at rest in a pre-energization phase, since this consequently avoids an additional time requirement at a point in time at which the rotation of the motor should take place.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to figures. Show it:

1: Einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei drehendem Schrittmotor; 1 : A measured time course of the phase current in a stator coil with the stepper motor rotating;

2: einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor und maximaler Rotor-Stator-Überdeckung; 2 : a measured time course of the phase current in a stator coil with the stepper motor stopped and maximum rotor-stator coverage;

3: einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor, wenn vor dem Einprägen des Stroms keine maximale Rotor-Stator-Überdeckung gegeben ist; und 3 : a measured time course of the phase current in a stator coil with the stepping motor standing when there is no maximum rotor-stator coverage before the impressing of the current; and

4: einen vergrößerten Ausschnitt des Signals aus 1 während des Chopperns und das zugehörige Choppersignal. 4 : an enlarged section of the signal 1 while chopping and the associated chopper signal.

1 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit t einen gemessenen Verlauf des Phasenstroms I(t) in einer Statorspule bei drehendem Schrittmotor. Zum Zeitpunkt t(I₀) werden die Steuersignale der Steuerelektronik gesetzt. Die Bestromung der Statorspule beginnt und wird so lange fortgesetzt, bis die vorgegebene maximale Stromstärke I_max zum Zeitpunkt t(I_max1) erreicht ist. Dabei folgt der Phasenstrom wegen der Induktivität der Wicklungen der Statorspule nicht instantan nach, sondern steigt langsam an. Dies ist die Zeitdauer, die gemäß der Lehre der DE 10 2006 021418 A1 bzw. der US 2012/0014732 A1 analysiert wird. 1 shows, as a function of the time t, a measured course of the phase current I (t) in a stator coil when the stepping motor is rotating. At time t (I ₀ ), the control signals of the control electronics are set. The energization of the stator coil begins and continues until the predetermined maximum current intensity I _max at time t (I _max1 ) is reached. Due to the inductance of the windings of the stator coil, the phase current does not follow instantaneously but rises slowly. This is the length of time, according to the doctrine of DE 10 2006 021418 A1 or the US 2012/0014732 A1 is analyzed.

Anschließend wird die Stromzufuhr gechoppert betrieben, wie besonders gut in der vergrößerten Darstellung der 4 zu erkennen ist. Die untere der beiden in 4 dargestellten Kurven repräsentiert das Choppersignal, das in Abhängigkeit von der Zeit zwischen den Zuständen “high”, entsprechend eingeschaltetem Stromfluss der Steuerelektronik und “low”, entsprechend ausgeschaltetem Stromfluss der Steuerelektronik hin- und hergeschaltet wird. Wie an dieser Kurve zu erkennen ist, wird immer dann, wenn I_max erreicht ist, das Choppersignal für eine feste Zeitspanne in den Zustand “low” überführt. Während dieser Zeitspanne sinkt der Phasenstrom I(t) ab, wobei das Ausmaß des Absinkens von der Induktivität der Statorspule abhängt und, da sich nach Anlegen der Steuersignale an die betrachtete Statorspule der Rotor auf diese zu bewegt, mit der Zeit immer geringer wird. Subsequently, the power supply is chopped operated, as particularly well in the enlarged view of 4 can be seen. The bottom of the two in 4 The curves represented represent the chopper signal, which is switched back and forth as a function of the time between the states "high", corresponding to the current flow of the control electronics and "low" corresponding to the current flow of the control electronics. As can be seen from this curve, whenever I _{max is} reached, the chopper signal for a fixed period of time in the state "low" transferred. During this period, the phase current I (t) decreases, wherein the amount of descent depends on the inductance of the stator coil and, as the rotor moves towards it after application of the control signals to the stator coil under consideration, the smaller the time.

Als Konsequenz werden die Zeiträume, in denen das Choppersignal im Zustand “high” ist, immer kürzer, bis schließlich die Referenz-Zeitdauer unterschritten und die Bestromung der nächsten Statorspule aktiviert wird. As a consequence, the periods during which the chopper signal is in the "high" state become shorter and shorter, until finally the reference time duration is undershot and the energization of the next stator coil is activated.

In 1 und 4 ist ferner jeweils die Zeitdauer, deren Analyse zur erfindungsgemäßen Aktualisierung der Referenz-Zeitdauer verwendet wird, exemplarisch durch die Startzeit t(I_{chopper n}) und die Endzeit t(I_{max n+1}) markiert. In 1 and 4 Furthermore, in each case the time duration whose analysis is used to update the reference time duration _according to the invention is marked by the start time t (I _{chopper n} ) and the end time t (I _{max n + 1} ) by way of example.

Wie man der Darstellung des gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor und maximaler Rotor-Stator-Überdeckung gemäß 2 entnimmt, ist in dieser Situation die Breite der Chopperpulse im Wesentlichen konstant, da sich die Induktivität der Statorspule nicht mehr ändert. Dies gilt allerdings nur so lange, wie die Arbeitsbedingungen und insbesondere die Temperatur der Windungen der Statorspule konstant bleibt; ändern sich diese, ändert sich der Widerstand der Statorspule und somit auch der Stromfluss. Ferner erkennt man im Vergleich zur Situation bei drehendem Motor, die in 1 dargestellt ist, dass insgesamt die Anstiegszeiten, bis der Strom I_max erreicht ist, jeweils kürzer sind. How to the representation of the measured time course of the phase current in a stator coil with stationary stepper motor and maximum rotor-stator coverage according to 2 In this situation, the width of the chopper pulses is essentially constant, since the inductance of the stator coil no longer changes. However, this only applies as long as the working conditions and in particular the temperature of the windings of the stator coil remains constant; If these change, the resistance of the stator coil changes and thus also the current flow. Furthermore one recognizes in comparison to the situation with rotating engine, the in 1 is shown that overall the rise times, until the current I _{max is} reached, are each shorter.

Grundsätzlich ist es daher möglich, die Breite der Chopperpulse auch im Ruhezustand des Schrittmotors, beispielsweise während einer Vorbestromungsphases, zu ermitteln, wodurch auch eine wiederholte Messung und Mittelung der Ergebnisse ermöglicht wird. Allerdings muss in diesem Fall die Korrelation zwischen den Breiten der Chopperpulse bei ruhendem und drehendem Schrittmotor bei gegebenen Randbedingungen wie Widerstand (entsprechend der Temperatur), Induktivität, Spannung und Stromstärke gefunden und tabelliert werden. In principle, it is therefore possible to determine the width of the chopper pulses even in the quiescent state of the stepping motor, for example during a pre-energization phase, whereby a repeated measurement and averaging of the results is made possible. However, in this case, the correlation between the widths of the chopper pulses when the stepping motor and the stepping motor rotate must be found and tabulated under given conditions such as resistance (according to the temperature), inductance, voltage and current.

Anhand der 3, welche einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor, wenn vor dem Einprägen des Stroms keine maximale Rotor-Stator-Überdeckung gegeben ist, in anderem Zeitmaßstab zeigt, wird deutlich, warum es vorteilhaft ist, die Messung in eingeschwungenem Zustand des Schrittmotors auszuführen. Im Bereich links von der Ordinatenachse erkennt man einen den durch das Choppern hervorgerufenen, Änderungen des Stroms überlagernden, welligen Verlauf der Einhüllenden der Kurve I(t), der durch das Einschwingverhalten des Rotors und dabei auftretende EMK bedingt wird. Dementsprechend sind Messungen in diesem Zustand mit einem höheren Fehler behaftet und weniger zuverlässig. Based on 3 , which shows a measured time course of the phase current in a stator coil with the stepper motor standing, if there is no maximum rotor-stator coverage before the impressing of the current, on another time scale, it becomes clear why it is advantageous to measure the steady state of the Stepper motor to execute. In the area to the left of the ordinate axis, one can see a wavy curve of the envelope of the curve I (t), which is caused by the chopping, changes in the current and is caused by the transient response of the rotor and the emf occurring during this process. Accordingly, measurements in this state are more error-prone and less reliable.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4121617 A1 [0009, 0010]
DE 19609803 C1 [0009, 0010]
DE 102006021418 A1 [0013, 0030]
US 2012/0014732 A1 [0014, 0030]
US 20120014732 A1 [0019]

Claims

Method for controlling a stepper motor, in which stator coils of the stepping motor are energized sequentially by an electronic control unit so that a rotating electromagnetic field is produced, whereby current (I) through the windings through the control electronics initially to a defined current during energization of a given stator coil. Setpoint (I _max ) is increased and, after the current setpoint (I _max ) is reached, the current (I) is chopped by the current flow provided by the control electronics through the turns repeatedly turned off for a constant period of time and then a chopper Pulse occurs during which the current supplied by the control electronics power flow is turned on again until the current setpoint (I _max ) is reached again, the control electronics by the time required to after the restart of the current flow, the current setpoint To reach again, defined width of each chop compares per-pulse with a predetermined reference period and begins with the energization of the stator coil to be energized next, as soon as the width of the chopper pulse for the first time the reference time period, characterized in that the reference time period during the control of the stepping motor on the working conditions of the stepping motor are adjusted.

A method according to claim 1, characterized in that the adaptation of the reference time duration during the control of the stepping motor to the working conditions of the stepping motor is based on a measurement of the current width of the chopper pulses.

A method according to claim 2, characterized in that the measurement of the current reference pulse width of the chopper pulses takes place when the stepping motor is stationary.

A method according to claim 3, characterized in that for adapting the reference time duration during the control of the stepping motor, the measured width of the chopper pulses at rest energized stepping motor via a look-up table with a corresponding width of the chopper pulses with rotating energized stepper motor is correlated and that the correlated value contained in the lookup table is used as the current reference time period.

A method according to claim 4, characterized in that the look-up table is created by for each copy of a given stepper motor type respectively the width of the chopper pulses at rest energized stepper motor and the corresponding width of the chopper pulses with rotating energized stepper motor for different Combinations of resistance, inductance, voltage and current are determined and stored in the look-up table.

Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the measurement of the current width of the chopper pulses takes place in the steady state of the stepping motor.

A method according to claim 6, characterized in that the measurement of the width of the chopper pulses at rest energized stepping motor in a Vorbestromungsphase.